Question

2．如圖1為某同學設計的電熱水器的原理圖，該電熱水器具有加熱、保溫功能．圖1中電磁繼電器（線圈電阻不計）、熱敏電阻R、保護電阻R₀、電壓恒為6V的電源U₁、導線等組成控制電路．當電磁鐵線圈中的電流I＜10mA時，繼電器上方觸點和觸點c接通；當電磁鐵線圈中的電流I≥10mA時，電磁鐵的銜鐵被吸下，繼電器下方觸點和觸點a、b接通．熱敏電阻中允許通過的最大電流I₀=15mA，其電阻R隨溫度變化的規(guī)律如圖2，熱敏電阻和加熱電路中的三只電阻R₁、R₂、R₃均置于儲水箱中．已知R₁=33Ω、R₂=66Ω、R₃=154Ω、U₂=220V．
（1）銜鐵被吸下時，電熱水器處于加熱（選填“加熱”或“保溫”）狀態(tài)；
（2）保溫狀態(tài)下，熱水器加熱電路產生的熱量只有20%能被熱水器內的水吸收，求在該狀態(tài)下10分鐘內水吸收的熱量；
（3）為使控制電路正常工作，保護電阻R₀的阻值至少為多大？若R₀為該值，銜鐵剛好被吸下時儲水箱中水溫是多少？

Answer 1

分析 （1）由電路圖知：銜鐵被吸下，繼電器下方觸點和觸點a、b接通時，加熱電路中電阻最小，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知電路功率最大，處于加熱狀態(tài)；
當繼電器上方觸點和觸點c接通時，加熱電路電阻較大，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知電路功率較小，電路處于保溫狀態(tài)；
（2）先由功率公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$求出加熱電路在保溫狀態(tài)下10min內電路產生的熱量，然后根據題意求出水吸收的熱量；
（3）由熱敏電阻的R-t圖象找出熱敏電阻的最小阻值，此時電路電流最大，根據電路的最大電流求出控制電路保護電阻R₀的最小阻值，這是控制電路正常工作的最小阻值；求出銜鐵剛好被吸下時熱敏電阻的阻值，然后由圖象找出該阻值對應的溫度，這就是儲水箱中水的溫度．

解答 解：（1）由電路圖知：銜鐵被吸下時，R₁、R₂并聯，根據并聯電阻的總電阻小于其中任一電阻，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$，電功率最大，為加熱狀態(tài)；
（2）由電路圖知，保溫狀態(tài)下：R₂、R₃串聯，
10min加熱電路產生的熱量Q=$\frac{{U}^{2}}{{R}_{2}{+R}_{3}}$t=$\frac{（220V）^{2}}{66Ω+154Ω}$×600s=1.32×10⁵J，
10分鐘內水只收的熱量Q′=Q×η=1.32×10⁵J×20%=2.64×10⁴J；
（3）由圖乙可知，熱敏電阻的最小值是R=200Ω，
當R最小，控制電路中的電流不超過最大值時，保護電阻R₀阻值最小，
由I₀=$\frac{{U}_{1}}{R{+R}_{0}}$得：保護電阻R₀的最小值R₀=$\frac{{U}_{1}}{{I}_{0}}$-R=$\frac{6V}{0.015A}$-200Ω=200Ω，
由題意知，銜鐵剛好被吸下時，電路電流I=10mA=0.01A，
此時電流總電阻R_總=$\frac{{U}_{1}}{I}$=$\frac{6V}{0.01A}$=600Ω，
此時熱敏電阻R=R_總-R₀=600Ω-200Ω=400Ω，
由圖2可知，此時水溫為60℃．
答：（1）加熱；
（2）10分鐘內水只收的熱量為2.64×10⁴J；
（3）保護電阻R₀的阻值至少為200Ω，
銜鐵剛好被吸下時儲水箱中水溫是60℃．

點評 本題考查了求加熱電路處于加熱狀態(tài)時的電阻、10分鐘熱水器散失的熱量、保護電阻的最小阻值、水的溫度等問題，考查的內容較多；分析清楚電路結構是本題正確解題的前提與關鍵；要正確解題，需要熟練掌握并聯電路的特點、電功公式、歐姆定律等知識．為壓軸題．